天津大学交叉研究又出新成果 软体机器人每秒滚动0.7倍身长

天津大学化工学院张雷教授课题组与机械学院陈焱教授课题组携手合作，他们通过跨学科的知识交融，巧妙利用琼脂糖薄膜的湿度感应特性，成功研发了一种能够在恒定湿度环境中迅速移动的软体机器人——Hydrollbot。这一突破性的创新为机器人技术注入了新的活力。

Hydrollbot，这款软体机器人，展现出了惊人的运动性能。它的直线运动速度高达0.714 BL/s，相较于传统的变湿度响应机器人，其速度提升了两个数量级。不仅如此，Hydrollbot还具备强大的负载能力，可以承载相当于自身重量的100%的物品。这一特性使得它在执行任务时更加高效，具有更广泛的应用前景。

更为引人注目的是，这款机器人还实现了运动轨迹的编程设计。这意味着研究人员可以根据实际需求，精确地规划机器人的运动路径。这一创新无疑为软体机器人的运动控制提供了更大的灵活性和精确性。

这项研究成果以“A Humidity-powered Soft Robot with Fast Rolling Locomotion”为题，已经在Research上在线发表。该论文展示了如何通过交叉学科的合作，利用琼脂糖薄膜的湿度敏感特性，实现软体机器人在恒定湿度环境下的快速滚动。这一研究不仅为机器人技术带来了新的突破，也为未来的科技发展提供了新的思路。环境驱动的软体机器人，它们犹如灵动的水生物，对周围的光、热、化学物质、磁场以及湿度等微妙变化敏感，并能据此展现出特定的运动与功能。在机器人技术的广阔领域中，这一分支正成为备受瞩目的研究焦点。

在软体机器人的设计中，一个重大挑战在于如何在无需人为干预的恒定外界环境中，实现机器人本体结构、执行器和能源的超高集成，同时保证其快速运动及可预设的运动轨迹。面对这一难题，我们借助了具有湿度敏感特性的琼脂糖薄膜材料，成功突破了薄膜材料的各向同性和随机弯曲的局限。

经过精心设计的机器人结构，我们推出了一款名为Hydrollbot的软体机器人。这款机器人在恒定湿度条件下，能够连续进行快速运动，宛如水中的游鱼，流畅而自如。更为令人振奋的是，我们实现了其运动轨迹的可编程设计，这意味着我们可以按照需求预设机器人的行动路径，使其任务执行更为精准、高效。

这一研究的进展不仅展示了软体机器人在适应复杂环境方面的巨大潜力，也为我们打开了新的技术路径，让我们在机器人技术领域的探索又迈进了一步。作者精心设计了机器人的结构（如图1所示）。为了解决薄膜的随机弯曲问题，团队巧妙地通过在薄膜两侧粘贴PET条带，实现了薄膜的单向弯曲。薄膜两端的V形PET脚增强了机器人与基底表面的摩擦力，有效地防止了机器人的反向运动。

（图1展示了Hydrollbot的结构设计）

当机器人与湿度环境接触时，它会吸收水分并产生弯曲变形。在吸水和自身重力的共同作用下，机器人能够在恒定湿度环境中实现连续的快速滚动（如图2所示）。这一设计使得机器人在湿度驱动领域具有广泛的应用前景。图2：Hydrollbot运动过程展示

在速度为0.714 BL/s的状态下，Hydrollbot展现出了流畅的运动过程。通过细致观察，我们可以发现机器人在湿润环境下的独特运动特性。

进一步探索：机器人运动的理论分析模型（图3）

深入研究后，作者构建了一个理论分析模型，对机器人的运动进行了探索。研究发现，机器人的运动速度与薄膜的长度和湿度呈正相关，而与薄膜的厚度及胶带长度呈负相关。这一发现为优化机器人性能提供了重要的理论依据。

图3：Hydrollbot运动的理论分析模型介绍

通过理论模型的建立，我们得以深入了解机器人运动的内在机制。这一模型为我们揭示了机器人性能与各种参数之间的关联，为进一步的优化和创新提供了方向。

性能优化：轻量与高速的完美结合

基于理论分析模型，我们对机器人进行了优化。优化后的机器人重量仅为6.8毫克，但直线滚动速度却达到了惊人的0.714 BL/s。这一成绩不仅超越了目前所有报道的湿度响应软体机器人（图4），也在环境驱动软体机器人领域中处于领先地位。

图4：超越现有的湿度响应软体机器人

我们的机器人在速度上实现了突破，超越了目前市场上所有的湿度响应软体机器人。这一进步为我们打开了新的可能性，为未来的软体机器人技术指明了方向。

负载能力：超越自我，承载更多

除了速度之外，Hydrollbot还展现出了强大的负载能力。它能够携带自身重量100%的有效载荷运动（图5），这一性能在软体机器人领域中也是极为罕见的。

图5：Hydrollbot的负载能力展示

图4揭示了多种软体机器人在速度与性能之间的微妙关系。这些机器人，以其独特的柔软性，在速度与质量的平衡中展现出惊人的能力。随着速度的变化，它们的质量也在不断地调整与优化，为我们展示了一幅速度与质量的和谐共生图。

当我们转向图5时，目光被吸引到Hydrollbot机器人上。当它在自重负载下运动时，展现出了惊人的稳定性和高效性。在重载状态下，Hydrollbot的运动过程犹如一场优雅的舞蹈，流畅且有力。

而作者的创新之处远不止于此。他们巧妙地通过改变Hydrollbot机器人的几何形状和脚的位置，调控其滚动方向。这种调整，如同魔术师的手法，使机器人能够按照预设的轨迹运动。通过微调PET条带的相对位置，他们精确地控制薄膜的弯曲方向，实现了机器人运动轨迹的多样化简单编程（图6）。这种创新的技术手段，无疑为机器人的运动控制开启了新的可能。图6展示了四种拥有不同运动轨迹的Hydrollbots，这些设计为我们提供了一个全新的多学科交叉研究视角，为环境驱动软体机器人的结构设计开拓了广阔的可能性。

这些Hydrollbots不仅展现了多样化的运动模式，更在结构和功能上展示了巨大的创新潜力。它们不仅在实验室中展现出卓越的性能，更在医疗、传感、驱动等领域的应用前景广阔。特别是在医疗领域，湿度驱动的软体机器人有望为手术、药物输送和康复治疗带来革命性的改变。

这些机器人的结构设计，正是基于多种学科的深度融合，包括机械工程、材料科学、生物学和人工智能等。通过创新的结构设计和多种刺激敏感的新材料的结合，这些机器人能够在复杂环境下展现出卓越的适应性、智能性和可靠性。

未来的研究将聚焦于如何将这一技术推向实际应用。我们期待通过进一步的研究和开发，将这些机器人从实验室带入到日常生活中，为人类带来更为便捷、高效和智能的生活方式。而这一切，都离不开跨学科的深度交流和合作，离不开科研人员的持续努力和探索。这不仅是一项技术的突破，更是对人类未来生活方式的一次深刻想象和大胆创新。张雷教授，天津大学化工学院生物化工系的资深专家，是备受瞩目的国家自然科学基金优秀青年基金获得者。他深耕于生物化工与合成生物学、低温保护、功能材料以及海洋涂料等领域，凭借卓越的学术成果在Nature Biotechnology、Nature Communications、JACS、AIChE Journal以及CES等顶尖期刊上发表了超过百篇的论文，为学术界和工业界带来了宝贵的见解和突破。

陈焱教授，天津大学机械工程学院的杰出代表，同样是国家自然科学基金杰出青年基金的荣誉得主。他的研究聚焦于机构运动学、折展结构以及超材料的基础理论，并致力于将这些理论应用于航空航天结构、机器人技术以及医疗微结构的工程实践中。陈教授以其卓越的学术贡献和深厚的专业知识，为机械工程领域的发展做出了重要贡献。端午佳节，共度时光盛宴

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